Termoelektrilised materjalid ja nende valmistamise meetodid
Termoelektriliste materjalide hulka kuuluvad keemilised ühendid ja metallisulamid, mis on rohkem või vähem väljendunud. termoelektrilised omadused.
Sõltuvalt saadud termo-EMF väärtusest, sulamistemperatuurist, mehaanilistest omadustest ja ka elektrijuhtivusest kasutatakse neid materjale tööstuses kolmel eesmärgil: soojuse muundamiseks elektriks, termoelektriliseks jahutamiseks. (soojusülekanne elektrivoolu läbimisel) ja ka temperatuuri mõõtmiseks (püromeetrias). Enamik neist on: sulfiidid, karbiidid, oksiidid, fosfiidid, seleniidid ja telluriidid.
Nii et termoelektrilistes külmikutes nad kasutavad vismuttelluriid... Ränikarbiid sobib rohkem temperatuuri mõõtmiseks ja c termoelektrilised generaatorid (TEG) On leitud, et mitmed materjalid on kasulikud: vismuttelluriid, germaaniumtelluriid, antimontelluriid, pliitelluriid, gadoliiniumseleniid, antimoniseleniid, vismutseleniid, samariummonosulfiid, magneesiumsilitsiid ja magneesiumstaniit.
Nende materjalide kasulikud omadused põhinevad kahel mõjul – Seebeckil ja Peltier’l… Seebecki efekt seisneb termo-EMF ilmumises järjestikku ühendatud erinevate juhtmete otstesse, mille kontaktid on erineva temperatuuriga.
Peltier' efekt on vastupidine Seebecki efektile ja seisneb soojusenergia ülekandmises, kui elektrivool läbib erinevate juhtide kontaktpunkte (ühendusi) ühelt juhilt teisele.
Mingil määral on need mõjud üks alates kahe termoelektrilise nähtuse põhjus on seotud kandevoolu termilise tasakaalu häirimisega.
Järgmisena vaatleme ühte populaarseimat ja ihaldatumat termoelektrilist materjali — vismuttelluriidi.
Üldiselt aktsepteeritakse, et materjalid, mille töötemperatuuri vahemik on alla 300 K, klassifitseeritakse madala temperatuuriga termoelektrilisteks materjalideks. Sellise materjali ilmekas näide on lihtsalt vismuttelluriid Bi2Te3. Selle põhjal saadakse palju erinevate omadustega termoelektrilisi ühendeid.
Vismuttelluriidil on romboeedriline kristallograafiline struktuur, mis sisaldab kolmandat järku sümmeetriatelje suhtes täisnurga all olevaid kihte - kvintette.
Eeldatakse, et Bi-Te keemiline side on kovalentne ja Te-Te side on Waanderwal. Teatud tüüpi juhtivuse (elektron või auk) saavutamiseks lisatakse lähteainesse liig vismutit, telluuri või legeeritakse aine lisanditega nagu arseen, tina, antimon või plii (aktseptorid) või doonoritega: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .
Lisandid annavad väga anisotroopse difusiooni, selle kiirus lõhustamistasandi suunas ulatub difusioonikiiruseni vedelikes.Temperatuurigradiendi ja elektrivälja mõjul täheldatakse vismuttelluriidis lisandite ioonide liikumist.
Üksikkristallide saamiseks kasvatatakse neid suundkristallimise (Bridgemani) meetodil, Czochralski meetodil või tsoonisulatusmeetodil. Vismuttelluriidil põhinevaid sulameid iseloomustab kristallide kasvu väljendunud anisotroopia: kasvukiirus piki lõhustamistasandit ületab oluliselt kasvukiirust selle tasapinnaga risti.
Termopaare toodetakse pressimise, ekstrusiooni või pideva valamise teel, samas kui termoelektrilisi kilesid toodetakse traditsiooniliselt vaakum-sadestamise teel. Vismuttelluriidi faasidiagramm on näidatud allpool:
Mida kõrgem on temperatuur, seda madalam on sulami termoelektriline väärtus, kuna sisejuhtivus hakkab mõjutama. Seetõttu ei saa kõrgetel temperatuuridel, üle 500-600 K, seda hiilgust kasutada lihtsalt keelatud tsooni väikese laiuse tõttu.
Et Z termoelektriline väärtus oleks ka mitte väga kõrgetel temperatuuridel maksimaalne, tehakse legeerimine võimalikult hästi, et lisandite kontsentratsioon oleks väiksem, mis tagaks väiksema elektrijuhtivuse.
Kontsentratsiooni ülejahtumise (termoelektrilise väärtuse vähenemise) vältimiseks monokristalli kasvatamise protsessis kasutatakse olulisi temperatuurigradiente (kuni 250 K / cm) ja kristallide kasvu madalat kiirust - umbes 0,07 mm / min.
Vismut ja vismuti sulamid koos antimoniga kristalliseerumisel annavad romboeedrilise võre, mis kuulub kahetahulisse skaleneeedrisse.Vismuti ühikrakk on romboeedri kujuline, mille servad on 4,74 angströmi pikad.
Sellises võres olevad aatomid on paigutatud topeltkihtidesse, kusjuures igal aatomil on topeltkihis kolm ja külgnevas kihis kolm naabrit. Sidemed on kaksikkihi sees kovalentsed ja kihtide vahel seob van der Waals, mille tulemuseks on saadud materjalide füüsikaliste omaduste terav anisotroopia.
Vismuti monokristallid on kergesti kasvatatavad tsoonilise ümberkristallimise, Bridgmani ja Czochralski meetoditega. Antimon koos vismutiga annab pideva rea tahkeid lahuseid.
Vismuti-antimoni sulamist monokristalli kasvatamisel võetakse arvesse tehnoloogilisi omadusi, mis on põhjustatud soliduse ja liquidus liinide olulisest erinevusest. Seega võib sulam anda mosaiikstruktuuri, mis on tingitud üleminekust ülejahutatud olekusse kristallisatsioonirindel.
Hüpotermia vältimiseks kasutavad nad suurt temperatuurigradienti - umbes 20 K / cm ja madalat kasvukiirust - mitte rohkem kui 0,3 mm / h.
Vismuti voolukandjate spektri eripära on see, et juhtivus- ja valentsribad on üsna lähedased. Lisaks mõjutavad spektriparameetrite muutust: rõhk, magnetväli, lisandid, temperatuurimuutused ja sulami enda koostis.
Nii saab kontrollida materjalis olevate voolukandjate spektri parameetreid, mis võimaldab saada optimaalsete omaduste ja maksimaalse termoelektrilise väärtusega materjali.
Vaata ka:Peltieri element – kuidas see töötab ning kuidas kontrollida ja ühendada